Software educativo TREM: evaluación y selección de tuberías ...

Vol. 12, Núm. 24 Enero - Junio 2022, e344

https://doi.org/10.23913/ride.v12i24.1184

Artículos científicos

Software educativo TREM: evaluación y selección de

tuberías de revestimiento y su estado mecánico

Educational Software TREM: Evaluation and Selection of Casing Pipelines

and Their Mechanical State

Software Educacional TREM: Avaliação e Seleção de Revestimento e

Condição Mecânica

Marcos Andrés Jiménez Moreno

Universidad Tecnológica de Tabasco, México

[email protected]

https://orcid.org/0000-0001-9981-6154

José Roberto Hernández Barajas

Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, México

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-3037-3188

José del Carmen Jiménez Hernández

Universidad Tecnológica de la Mixteca, Instituto de Física y Matemáticas, México

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-7864-1778

Resumen

El objetivo del presente trabajo fue elaborar un software para la evaluación de diseño de

tuberías de revestimiento y su estado mecánico confiable, sencillo y de fácil adaptación entre

el programa y el usuario. Para ello, se combinó la teoría técnica y científica con la experiencia

en el manejo de software especializado en el diseño de pozos petroleros. La estrategia para

su desarrollo consistió en la descomposición del problema original en tres secciones: 1)

identificación y manejo de las diferentes propiedades mecánicas de las tuberías de

revestimiento, 2) identificación y evaluación de los diferentes tipos de esfuerzos que se


presentan en las tuberías de revestimiento según el diseño del pozo y 3) esquematización del

arreglo de tuberías acorde a la profundidad y diseño del pozo. Entre los resultados se logró

combinar la programación con el material especializado técnico y científico: seleccionar,

evaluar y esquematizar las diversas tuberías de revestimiento según los datos operativos del

diseño del pozo, así como determinar un costo aproximado de las tuberías y de las

operaciones en su selección y asentamiento para, finalmente, seleccionar el porcentaje y

costo total de la perforación. En conclusión, el trabajo desarrollado resuelve la problemática

presentada, pero solo aplica a pozos verticales, dada la limitación de gráficos 3D para la

perforación direccional y con una profundidad máxima de 5200 m (17 060 ft).

Palabras clave: colapso, esfuerzos, estallamiento, grados, tensión.

Abstract

The objective of this work was to develop a software for the evaluation of casing pipes design

and its mechanical state combining technical and scientific theory with the experience in the

handling of specialized software in the design of oil wells. The strategy for its development

consisted in the decomposition of the original problem in three sections: 1) identification and

management of the different mechanical properties of the casing pipes, 2) identification and

evaluation of the different types of stresses that occur in the casing pipes according to the

well design, and 3) schematization of the pipe arrangement according to the depth and design

of the well. Among the results, it was possible to combine the programming with the

specialized technical and scientific material, as well as to determine an approximate cost of

the pipes and the operations in their selection and setting, to finally select the percentage and

total cost of drilling. In conclusion, the developed work solves the presented problem, but

only applies to vertical wells, given the limitation of 3D graphics for directional drilling and

with a maximum depth of 5200 m (17 060 ft).

Keywords: collapse, stresses, bursting, degrees, tension.


Resumo

O objetivo do presente trabalho foi elaborar um software para avaliação do projeto de tubos

de revestimento e seu estado mecânico confiável, simples e de fácil adaptação entre o

programa e o usuário. Para isso, aliou-se a teoria técnico-científica à experiência no manuseio

de software especializado no projeto de poços de petróleo. A estratégia para o seu

desenvolvimento consistiu na decomposição do problema original em três secções: 1)

identificação e gestão das diferentes propriedades mecânicas dos tubos de revestimento, 2)

identificação e avaliação dos diferentes tipos de esforços que ocorrem nos tubos de

revestimento. revestimento de acordo com o projeto do poço e 3) esquematização da

disposição das tubulações de acordo com a profundidade e projeto do poço. Entre os

resultados, foi possível combinar a programação com o material técnico e científico

especializado: selecionar, avaliar e traçar os diversos tubos de revestimento de acordo com

os dados operacionais do projeto do poço, bem como determinar um custo aproximado dos

tubos e do operações em sua seleção e liquidação para finalmente selecionar o percentual e

o custo total da perfuração. Em conclusão, o trabalho desenvolvido resolve o problema

apresentado, mas aplica-se apenas a poços verticais, dada a limitação de gráficos 3D para

perfuração direcional e com profundidade máxima de 5.200 m (17.060 pés).

Palavras-chave: colapso, esforços, estouro, graus, estresse.

Fecha Recepción: Octubre 2021 Fecha Aceptación: Abril 2022

Introducción

Actualmente, la tecnología aplicada en la industria petrolera es de vital importancia.

En efecto, un ingeniero petrolero tendrá mayores oportunidades profesionales si cuenta con

conocimientos y habilidades necesarias que le permitan aplicar las herramientas informáticas

y tecnológicas en la solución de los problemas que se le presenten en cada uno de los

proyectos en los que se desarrolle diariamente.

Los softwares educativos, en opinión de García y García (2008), son instrumentos

didácticos que facilitan el proceso de enseñanza-aprendizaje, ya sea tradicional, presencial o

a distancia. Por su parte, Gros (2000) los considera parte de un proceso formal de aprendizaje.

Se trata de un diseño específico a través del cual se adquieren conocimientos y habilidades

que, en definitiva, logren desarrollar competencias especializadas en el estudiante. Los

materiales didácticos surgen a raíz de que, por ejemplo, las herramientas con las que se cuenta

en ese momento son incapaces de resolver una problemática y su etapa de creación es de


carácter multidisciplinar. Por esta última razón participan profesionales con diferentes

perfiles, niveles de experiencias y puntos de vista sobre cómo deben ser y cómo deben crearse

(Padrón, 2009).

El presente software tiene, entre sus objetivos fundamentales, facilitar la enseñanza y

aprendizaje del manejo y aplicación de datos técnicos y operativos de las tuberías de

revestimiento, densidades de los diferentes tipos de fluidos, gradientes de fractura,

identificación de los esfuerzos a los que se someten las tuberías, generación y

esquematización del estado mecánico, así como también manejar los conceptos y

definiciones de las diferentes variables implicadas en el diseño de pozos petroleros. El

desarrollo de software generalmente consiste en una serie de pasos que inician desde la

comprensión del fenómeno a simular, pasando por la identificación y manejo de las variables

e incógnitas que se desean determinar mediante la aplicación de los diferentes modelos

matemáticos, hasta el desarrollo de los algoritmos y finalmente la generación del código

computacional.

La construcción de los pozos petroleros es un proceso multidisciplinario, ya que

requiere de diversos conocimientos: de física, química, geología, hidráulica, ciencia de los

materiales y, sin duda alguna, de la experiencia en campo. De hecho, es importante aceptar

que el uso de las nuevas tecnologías ha brindado un mayor entendimiento en las ejecuciones

de los diseños y de las operaciones, lo cual se puede ver reflejado en el aumento de la

productividad, la disminución de riesgos operativos y los cuidados del medio ambiente, por

mencionar algunos (Martínez, Suárez y González, 2017). Una forma de impulsar el

crecimiento económico de una nación es a través de la educación de sus ciudadanos; el

desarrollo de sus capacidades le permitirá agregar valor a sus actividades diarias del sector

industrial (Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura

[Unesco], 2011).

Klementich y Jellison (1986) describieron la importancia de la optimización y

automatización del proceso de diseño mediante la implementación de herramientas

computacionales. Para lograr una estimación más precisa de las condiciones de la vida útil y

análisis de tensión, se liberaron de cálculos repetitivos manuales. La ingeniería petrolera

puede y debe hacer uso de programas de cómputo que faciliten las tareas cotidianas. Y en esa

línea, contar con un lenguaje de programación como Visual Basic, junto con el potencial de

las hojas de cálculo como Excel, es imprescindible (García, 2017). Sin embargo, varias de

las instituciones de educación superior públicas y privadas que ofrecen la carrera de


ingeniería petrolera a nivel nacional en México carecen de centros de simulación, software o

simuladores de perforación, control de pozos, laboratorios de geología, geofísica, fluidos de

perforación, cementación, etc., por lo que, en la mayoría de los casos, se imparte una

enseñanza por completo teórica.

Entre los investigadores que han desarrollado algunas aplicaciones como las

mencionadas anteriormente se pueden citar a Castillo y Chiriví (2008), Sepúlveda, Vargas y

Rivas (2014), Chinedu y Onensi (2016) y Mondavi (2014).

Para Torres y Anders (1995), Microsoft Visual Basic, al ser una herramienta de

programación fácil de aprender y aplicar, permite a los ingenieros desarrollar diversas

aplicaciones. En esa línea, Bell, Davies y Simonian (2006) señalan que el software SPOT de

la compañía transnacional Shell surgió de Visual Basic/Excel; este dúo facilitó su creación,

validez y funcionalidad, en otras palabras, la generación de los códigos, módulos e interfaz

gráfica era rápida, sencilla e intuitiva. Asimismo, Utsalo, Olamigoke y Adekuajo (2014)

desarrollaron una aplicación en Visual Basic en el entorno de Microsoft Excel para la

selección de tuberías de revestimiento. Por último, Akpan y Kwelle (2005) desarrollaron un

software de selección y asentamiento de tuberías con una interfaz interactiva, fácil de usar,

con pasos automatizables y unidades de ingeniería comunes.

El objetivo principal de la perforación de pozos petroleros es realizar un agujero que

inicia en la superficie y finaliza en el objetivo o zona productora, sin importar la profundidad

de este. El agujero debe ser capaz de ser el medio por el cual el hidrocarburo se transporte

hacia la superficie. En nuestro país, el desarrollo de programas o software relacionados con

el sector de hidrocarburos, como, por ejemplo, diseño, perforación y extracción,

generalmente ha sido impulsado por empresas nacionales e internacionales del área petrolera

y algunos centros de investigación. Sin embargo, estos programas generalmente no llegan a

las universidades y tecnológicos que ofrecen la carrera de ingeniería petrolera, ya que sus

costos de renta anuales por equipo (PC, laptop) son demasiados elevados para su adquisición.

El simple agujero no asegura su estabilidad durante la perforación y tiempo de vida

productiva. Para ello es necesario revestir el agujero, cuyas trayectorias pueden ser rectas y

curvas, con profundidades variantes, en algunos casos de 5500 a 7000 metros en zonas

terrestres y marinas, respectivamente; por ejemplo, en 2012, la empresa Exxon Neftegas

Limited reportó haber alcanzado una profundidad de 12.3 km de trayectoria. Las diferentes

tuberías de revestimiento y la cementación brindan, idealmente de una forma segura,

confiable y económica, protección a las paredes del agujero (Bassante, 2013). De ahí que el


revestimiento sea uno de los puntos de mayor importancia en el diseño y selección de las

tuberías. Lo anterior es apoyado por Halal, Warling y Wagner (1996), quienes describen la

importancia del programa de revestimiento, cuyo costo aproximado, calculan, oscila es de

entre 15 % y 35 % del costo total del pozo; Jenkins y Crockford (1975) lo calculan entre

10 % y 20 %, Pérez (2013) alrededor de 20 % y Recalde (2018) opina que el costo

aproximado es de 23 % del proyecto de perforación. Las tuberías de revestimiento o casing

normalmente se clasifican en tubería conductora, superficial, intermedia y de explotación

(Ángel y Torres, 2018), todas ellas basadas en la norma API 5CT; aunque también se utilizan

algunas tuberías cortas, por ejemplo, liner, las cuales son más económicas que las tuberías

de producción, ya que no necesariamente deben llegar hasta la superficie, sino que estas

pueden ser estacionadas o colocadas a cierta profundidad.

Dado que cada pozo es diferente en su diseño, construcción y comportamiento, el tipo

y número de tuberías a utilizar para su revestimiento son distintos. Como todo proceso de

ingeniería, se fundamenta en datos técnicos, sin embargo, a su diseño le corresponde un costo

en particular, lo cual genera una discusión en la toma de decisiones encontradas en el área de

seguridad y de costos. Esta última se puede determinar mediante la selección del grado de

acero, espesor de pared y tipos de acoplamientos (Wang et al., 2013). Adicionalmente,

Morán, Lituma, Vargas y Tapia (2009) y Tao y Xie (2013) consideran importante que, en la

etapa de diseño, también se incluya el uso de nuevas tecnologías y mejores prácticas

operacionales in situ. Generalmente, las tuberías se diseñan bajo dos puntos: resistencia

(material de fabricación) y esfuerzo (condiciones de exposición). Los principales tipos de

perfiles de pozos son: verticales, direccionales y horizontales. Las tuberías tienen diferentes

grados, como, por ejemplo, las reportadas por Olanrewaju (2018): J55, K55, N80, L80, C90,

T95, P110, Q125, V150. Lo anterior se fundamenta bajo las características de mecánica de

suelos (tipos de formaciones) y comportamiento geológico de cada una de las formaciones a

perforar, dado que durante la perforación es común encontrarse corrientes de agua, sales,

gases, formaciones plásticas, blandas y duras que dan pie a la existencia de presiones

normales, anormales y subnormales, por lo que todas las tuberías deben ser resistentes a la

corrosión (Lin et al., 2016). Aunado a ello, Rahman y Chilingarian (1995) también

consideran puntos de políticas internas de las empresas, regulaciones gubernamentales, tipos

de levantamiento artificial y equipos que eventualmente se pueden colocar en el pozo.


Goins, Collins y O´Brien (1965) y Greenip (1978) confirman que los primeros

procedimientos en el diseño de tuberías de revestimiento se desarrollaban paso a paso dada

la falta de capacidad computacional para resolver el problema de optimización total. Mientras

que Prentice (1970) confirma la importancia de realizar una evaluación apropiada y separada

a cada tipo de tubería de revestimiento, dadas los imponderables que puedan presentarse al

momento de considerar los diferentes casos de carga, al momento de controlar las zonas

anormales de presión de formación, pérdida de circulación y pega por presión diferencial, en

otras palabras, el diseño de las tuberías de revestimiento está íntimamente relacionado con la

experiencia y conocimiento absoluto de los parámetros y factores usados como medida de

seguridad: cualquier parámetro que no sea considerado puede influir negativamente en su

diseño.

Wojtanowicz y Maidia (1987) presentaron el primer enfoque sistemático para el

diseño de costo mínimo utilizando la versión discreta del método de programación dinámica,

donde se detalla el problema peso-precio junto con su impacto en la eficiencia del modelo,

sin embargo, su trabajo es muy importante para condiciones de cargas simples. Estas tuberías

varían de diámetro, desde 4 hasta 20 pulgadas, son de diferentes pesos y grados de acero, que

se acoplan unas a otras a través de la caja y pin (uniones roscadas) para poder alcanzar la

profundidad deseada (Aules, 2013). El revestimiento de pozos es un conjunto de tuberías

unidas mediante una conexión. Esta conexión es un dispositivo mecánico que permite unirlas

para formar una tubería continua funcional, y cubrir las diferentes secciones del pozo

(Zambrano, 2016).

Las tuberías de revestimiento durante su introducción, estacionamiento y fijación

dentro del agujero de manera adicional también se someten a otros tipos de factores, tal y

como desgaste de tuberías (Moreira, Carrasquila, Figueiredo y da Fonseca, 2015; Shen, Beck

y Ling, 2014), corrosión, vibraciones y efectos por causa de los disparos, por mencionar

algunas. Por todo lo anterior, se ha desarrollado un programa que proporciona la solución

rápida y eficiente para el diseño de las distintas etapas y tuberías que integran el estado

mecánico y conformar así la geometría de pozos. Se trata de una aplicación libre que permita

ser un puente entre la parte académica con la experiencia en el diseño de las tuberías para

pozos petroleros verticales, al igual que una muestra de aplicación de la teoría con una de las

herramientas de la informática en la solución de los problemas de perforación de pozos de

hidrocarburos.


El presente software fue desarrollado con el lenguaje de programación Visual Basic

en un ambiente de macros de Microsoft Excel y ofrece: 1) evaluación de las tuberías que

serán expuestas a presiones en cada etapa: presión de formación (Pf), hidrostática (Ph),

colapso (Pc), estallamiento (Pe) y tensión (Pt); 2) esquematización del estado mecánico,

acorde a los diámetros y número de tuberías de revestimiento y liner, y 3) estimación

aproximada de los costos de las operaciones de las tuberías y de perforación.

Metodología de desarrollo del software

El desarrollo del software se fundamentó bajo el método de ensayo y error con punto

neutro, el cual se caracteriza por usar el factor de flotación, el grado y el peso nominal de las

tuberías de revestimiento en cada una de las etapas de manera individual para su evaluación.

Entre los investigadores que han aplicado y validado dicha metodología de manera

operativa están Morán et al. (2009), Peñafiel, Sánchez, Vargas y Tapia (2009), Salas, Rosado,

Vargas y Tapia (2009), Fernández y Aguirre (2009), Gandara (1990), Mayorga (1990),

Molero (2012) y Recalde (2018).

La estrategia consistió en la descomposición del problema original en tres secciones:

1) Identificación y manejo de las diferentes propiedades mecánicas (tipos y

grados) de las tuberías de revestimiento.

2) Identificación y evaluación de los diferentes tipos de esfuerzos que se

presentan en las tuberías de revestimiento.

3) Esquematización y costo del arreglo de tuberías de revestimiento acorde

al diseño del pozo.

El software no solo integra la evaluación del diseño de las tuberías, sino que, de

manera adicional, permite esquematizar el estado mecánico, estimar el costo por etapa de

cada grado de tuberías y el costo de operación para finalmente determinar el valor

aproximado de la perforación. La siguiente estructura funcional corresponde al proceso de

funcionamiento del programa (figura 1):


Figura 1. Estructura funcional del software

Fuente: Elaboración propia

Portada

La figura 2 corresponde a la portada principal del “Software educativo para la

evaluación del diseño de tuberías de revestimiento y su estado mecánico”. Allí, el usuario

deberá brindar la información de acceso “User/Password”, si así fuera el caso. El programa

tiene la capacidad de esquematizar las tuberías a una profundidad máxima de 5500 m

(16 404 ft), con un máximo de cinco etapas y solo aplica para pozos verticales. Lo anterior

incluye los siguientes tres casos: 1) cinco tuberías de fondo a superficie, 2) tres tuberías de

fondo a superficie y dos liner colgados y 3) cuatro tuberías de fondo a superficie y un liner


colgado. Las lineas de color negro representan las paredes del pozo y las amarillas

corresponden a las tuberías.

Figura 2. Portada del software

Fuente: Software educativo TREM

Alimentación del programa

La figura 3, con etiqueta “Casing and Bit”, corresponde a la inserción de los datos de

entrada. En cada uno de los recuadros amarillos de la parte superior se especifica el nombre

de las variables (diámetro de barrana, diámetro exterior e interior de tubería de revestimiento

y casing, propiedades mecánicas, grado de acero, etc.), cada una con sus respectivas unidades

de medición. Estas corresponden al diseño que se desee evaluar y esquematizar, es decir, el

número de etapas que el ingeniero de diseño de pozo considere pertinente según la

información de campo y la metodología a aplicar.


Figura 3. Datos y resultados de la evaluación de tuberías de revestimiento por etapa


En el recuadro del centro del lado izquierdo, “Fluidos y Densidades/Fluids and

Densities”, el usuario establecerá los nombres y rangos de densidades de los diferentes tipos

de fluidos, densidad real y gradientes de fractura para la prueba en cada una de las etapas. El

recuadro “Factor de Seguridad/Security Factor” corresponde a la asignación del valor

numérico que el usuario considere correspondiente para la evaluación de los esfuerzos

presentados en cada una de las etapas.

La imagen central inferior de la figura 3, “Casing-1, Casing-2, Casing-3, Casing-4,

Casing-5”, corresponde de manera individual a los resultados de la evaluación de las etapas

con las características propias de su diseño. Dependiendo de los resultados numéricos, el

programa emitirá un recuadro de nota, por ejemplo: “La Pf > Ph, ¿deseas continuar?”.

Corresponde al usuario comprender, justificar e interpretar los resultados numéricos, dando

“Aceptar” o haciendo los cambios numéricos en las variables que considere pertinentes.

Dicha explicación podrá añadirla en el recuadro blanco.

En Casing-4 y Casing-5 existe un recuadro de color amarillo donde se solicita la

longitud de traslape de las tuberías o liner, que será “estacionada/colgada”; dicho valor es

importante, ya que al finalizar se determina el número de tubería acorde a su longitud y costo

de operación.


En cada una de las etiquetas de evaluación de los casing, hay un recuadro “Send

Results to Summary 1” y “Send Results to Summary 2”, los cuales envían los resultados

obtenidos a un concentrado, como se muestra en la figura 4. El recuadro “Send Results to

Summary 2” debe usarse si al momento en que se realizaron las primeras evaluaciones se

observaron algunos resultados no previstos o no considerados; es decir, el usuario sospecha

de la validez de los resultados y decide reconsiderarlos: hacer cambios numéricos en alguna

variable para reevaluar la etapa o casing para posteriormente enviar los resultados al

concentrado de la figura 4. Una vez aceptados los resultados y seleccionadas las tuberías de

revestimiento, se continúa con la etapa final, como se muestra en la figura 5. De manera

inicial, a los resultados de las tuberías de revestimiento se les asigna una cantidad equivalente

al costo de la tubería y del servicio, que será considerada para el costo total de selección y

asentamiento de las tuberías de revestimiento.

El recuadro amarillo denominado “Porcentaje” es libre y corresponde al usuario

asignar el porcentaje que considere como el costo de la selección y asentamiento de las

tuberías, basado en su experiencia profesional o académica, y así finalmente obtener el costo

total de la perforación del pozo. En el recuadro “Estado Mecánico” se esquematiza el estado

mecánico acorde a los diámetros y profundidades de cada una de las etapas que se evaluaron,

como se muestra en la figura 6. Las profundidades de los casing deberán registrarse en

metros, para una esquematización a escala.

Figura 4. Concentrado de una o dos evaluaciones del diseño de tubería



Figura 5. Resultados finales para el estado mecánico y costos aproximados


Figura 6. Estado mecánico y costo aproximado de la perforación.

Fuente: Software educativo “TREM”


Resultados

Para demostrar las capacidades del programa de cómputo se ha seleccionado un

ejemplo ilustrativo cuyas características de diseño se muestran en la tabla 1, con

nomenclatura que se muestra en la tabla 6; se inicia con los diámetros de barrena, diámetro

exterior e interior, peso, longitud, propiedades mecánicas y grado de cada tubería de

revestimiento/casing, profundidad inicial y final de cada una de las etapas. En la tabla 2 se

presentan los datos de los diferentes tipos de fluidos de perforación, densidad real, gradiente

de fractura y factor de seguridad para la evaluación de los esfuerzos a los que se expone la

tubería de revestimiento a la profundidad de asentamiento.

Los resultados numéricos que se muestran en la tabla 3 corresponden a los valores

obtenidos de la evaluación de los diferentes esfuerzos que se presentaran al momento de

posicionar y asentar las tuberías en cada una de las etapas. Posteriormente, estos resultados

son comparados automáticamente con los datos de diseño reportados en la tabla 1. En la tabla

4 se muestran los valores de los esfuerzos finales, lo que da oportunidad al usuario para

aceptar, rechazar o realizar las adecuaciones pertinentes de las variables según corresponda

a la etapa y a los esfuerzos.

En el Casing-2, la 𝐶𝑜𝑙𝑙𝑎𝑝𝑠𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒 = −252.3202 𝑝𝑠𝑖, lo cual significa que la

tubería 13 3/8” × 12.415”, K55, 68 lb/ft no soportaría la presión de colapso. Al consultar la

tabla de tuberías del prontuario de Tenaris Tamsa (2013), se observa que el grado posterior

a la K55 es la M65. Por lo tanto, la siguiente acción fue evaluar la tubería de grado M65 en

cada uno de los esfuerzos. Una vez hecho esto, se obtuvo lo siguiente: la

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑙𝑎𝑝𝑠𝑜 = 2260 𝑝𝑠𝑖, y el valor estimado al que se expondrá

la tubería es de: 2202.32025 psi, lo que da una diferencia de 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 = 57.6797 psi a favor,

es decir, que la tubería de grado M65 es aceptable para la segunda etapa. De manera

adicional, esta tubería presenta mayor resistencia a la internal pressure y tension pressure,

como se muestra en la tabla 5.

En la figura 7, por su parte, se observa el estado mecánico para el ejercicio de muestra,

acorde a los datos de diseño, tres casing que inician desde la superficie hasta su profundidad

de asentamiento correspondientes y dos colgados “estacionados” con 100 fr de traslape. Los

valores correspondientes al costo de casing y servicios son aleatorios, corresponderá al

usuario utilizar información real o estimada acorde a su experiencia e información que tenga

a su disposición.


Es muy importante que el usuario o el encargado del diseño y evaluación de las

tuberías preste atención a las consideraciones técnicas-operativas, ya que estas le permitirán

poder discrepar entre los resultados concernientes a los cálculos de integridad-ingeniería de

la intervención y las consideraciones financieras en el costo de las tuberías y diseño que se

pudiesen considerar y presenta.

Tabla 1. Datos técnicos de las tuberías de revestimiento de cada una de las etapas

Characteristic Casing-1 Casing -2 Casing -3 Casing -4 Casing -5

∅𝐵𝑖𝑡(in) 26 16 12 ¼ 8 ½ 5 7/8

∅𝑒𝑥𝑡𝑇𝑟(in) 20 13 3/8 9 5/8 7 4 ½

∅𝑖𝑛𝑡𝑇𝑟(in) 19.124 12.415 8.681 6.276 3.826

°Tr K55 K55 N80 P110 P110

𝑊𝑇𝑟 (lb/ft) 94 68 47 26 15.10

𝐿𝑇𝑟(ft) 34 34 34 34 34

𝑅𝑐(psi) 520 1950 4750 6230 14 340

𝑆𝑇(lb*1000) 1480 1069 1086 850 485

𝑅𝐼𝑛𝑡(psi) 2110 3450 6870 9960 14 420

𝐷𝑀𝑒𝑑(ft) 358 4526 8144 10 460 10 958

𝐷𝑉𝑇(ft) 358 4429 7830 10 102 11 200

𝐷𝑆𝑡𝑎𝑟(ft) 0 0 0 8144 10 460

𝐷𝐹(ft) 250 4526 8144 10 460 11 200



Tabla 2. Densidades de los fluidos de perforación, gradiente de fractura y factores de

seguridad

Fluid type Densities

range

(lb/gal)

Test density

(lb/gal)

Fracture

gradiente

(psi/ft)

Esfuerzo Security

facture

Type 1 8.4 – 8.7 8.4 0.48 Tensión

Colapso

Interno

2

1.125

1

Type 2 8.5 – 10.4 8.5 0.48

Type 3 9.8 – 11 9.8 0.48

Type 4 9.6 – 9.9 9.6 0.48

Type 5 10 – 11 11 0.48


Tabla 3. Determinación de presiones de operación sobre las tuberías de revestimiento

Casing-1 Casing-2 Casing-3 Casing-4 Casing-5

Formation

pressure

(psi)

171.84 2125.92 3758.4 4848.96 5376

Hydrostatic

pressure

(psi)

156.3744 1957.618 3990.168 5042.9184 6406.4

Collapse

pressure

(psi)

175.9212 2202.32025 4488.939 5673.2832 7207.2

Internal

pressure

(psi)

171.84 2125.92 3758.4 4848.96 5376

Neutral

point depth

(ft)

312.892 3948.935 6946.832 8953.76 9149.93



Tabla 4. Determinación de presiones totales sobre las tuberías de revestimiento

1.a

Evaluación

Casing-1 Casing-2 Casing-3 Casing-4 Casing-5

Collapse

pressure (psi)

344.0788 -252.3202 261.061 556.7168 7132.8

Weight

casing (lb)

29 411.848 268 527.58 326 501.104 232 797.76 138 163.943

Tension

pressure (lb)

7 105 881.15 265 972.42 216 498.896 192 202.24 104 336.057

Internal

pressure (psi)

1938.16 1324.08 3111.6 5111.04 9044

Casing

number

10.5294 133.1176 239.5294 71.0588 24.7058


Tabla 5. Resultados de presiones para una segunda evaluación de la Tr propuesta

2.a

Evaluación

Collapse

pressure

(psi)

Weight

casing (lb)

Tension

pressure (lb)

Internal

pressure

(psi)

Casing

number

Casing-2 57.6797 268 527.58 509 472.42 2894.08 133.1117


Tabla 6. Nomenclatura correspondiente a la tabla 1

°Tr: Casing grade 𝐷𝑀𝑒𝑑: Medium depth (ft)

∅𝐵𝑖𝑡(in): Diameter bit 𝑊𝑇𝑟 (lb/ft): Casing

weight

𝐷𝑉𝑇(𝑓𝑡): True Vertical

Depth

∅𝑒𝑥𝑡𝑇𝑟(in): Outside diameter

casing

𝐿𝑇𝑟(ft): Casing length 𝐷𝑆𝑡𝑎𝑟(𝑓𝑡): Starting depth

∅𝑖𝑛𝑡𝑇𝑟(in): Inner diameter

casing

𝑅𝑐: Collapse resistance 𝐷𝐹(𝑓𝑡): Final depth



Figura 7. Estado mecánico, Casing (1-3), Casing (4-5) colgadas con 100ft de traslape


Discusión

Los resultados demuestran que la metodología permite al usuario contraponer el

dominio de la información técnica de las tuberías con los diferentes parámetros de los

esfuerzos considerados en el diseño propuesto para su evaluación. Sin embargo, pudiese

presentarse la existencia de usuarios/participantes con un mayor nivel de conocimiento sobre

la relación entre profundidad media y profundidad vertical verdadera para tener una

aproximación al caso direccional, y en ese caso el programa no podrá esquematizar el estado

mecánico, pero sus costos económicos se podrán establecer basados en la profundidad de

asentamiento de las tuberías de cada una de las etapas. En el presente trabajo se amplió la

metodología utilizada por Morán et al. (2009), Peñafiel et al. (2009), Salas et al. (2009),

Fernández y Aguirre (2009), Molero (2012) y Recalde (2018), se agilizó el proceso de

evaluación y se brindó la oportunidad al usuario de analizar e interpretar los resultados

numéricos para finalmente decidir la esquematización del estado mecánico y lograr un costo

aproximado de la operación.

Adicionalmente, el usuario asignará el porcentaje del costo de la operación de

cementación, según aplique o considere en su entorno, dado que, Halal et al. (1996), Jenkins

y Crockford (1975) y Recalde (2018) han utilizado un rango de entre 10 % y 35 %.


Conclusiones

El programa de cómputo desarrollado en el entorno de macros de Microsoft Excel es

una herramienta eficiente, el diseño de la interfaz es sencilla e intuitiva, agradable, de

comunicación rápida y de fácil adaptación entre el programa y el usuario. Se logró combinar

la teoría existente en la literatura especializada con las actividades que se realizan en los

departamentos de diseño de pozo y operatividad en campo. La esquematización del estado

mecánico considera las relaciones a escala de las dimensiones de la tubería de revestimiento

y sus espacios volumétricos. Cabe recordar que inicialmente las longitudes de las tuberías

son en pies (ft) para las operaciones matemáticas, mientras que, para esquematizar el estado

mecánico, es necesario realizar la conversión a metros (m) para obtener una representación

esquemática acorde a la pantalla del equipo de cómputo. En el futuro, esta herramienta será

mejorada para permitir al usuario realizar modificaciones personalizadas con base en su

experiencia o criterios de diseño; por ejemplo, generación gráfica de la ventana operativa,

representación de la sarta de perforación, volumetría para pozos verticales y direccionales,

etc.

Esta herramienta aspira a convertirse en uno de los softwares libres más empleados

en instituciones que ofrecen la carrera de ingeniería petrolera. De manera adicional, ser un

instrumento académico en la impartición de cursos de capacitación en las temáticas de diseño

de pozos, diseño, selección y asentamiento de casing y cementación entre otros. El método

prueba y error con punto neutro es una metodología viable para la optimización de los

recursos económicos y técnicos.

Futuras líneas de investigación

Ampliar las aplicaciones de programas con programación Visual Basic de Microsoft

en el área de perforación direccional, bajo balance, etc., considerando siempre características

académicas y la experiencia en campo, para en un futuro a corto plazo poder presentar un

software integral del área de perforación con orientación académica y perfil profesional, y

lograr así una mayor oportunidad para reducir la falta de experiencia de los egresados de la

carrera de ingeniería petrolera.


Referencias

Akpan, H. O. and Kwelle, S.O. (2005). Efficient Computational Method for Casing String

Design. Paper presented at the Nigeria Annual International Conference and

Exhibition. Abuja, August 2005. Retrieved from https://doi.org/10.2118/98790-MS.

Ángel, I. y Torres, M. L. (2018). Evaluación técnica de las propiedades mecánicas de un

liner ranurado mediante pruebas estandarizadas para la industria petrolera. (Tesis

de licenciatura). Fundación Universidad de América, Bogotá. Recuperado de

https://repository.uamerica.edu.co/bitstream/20.500.11839/6797/1/5132706-2018-2-

IP.pdf.

Aules, E. A (2013). Estudio de la factibilidad del cambio de conexión BTC por TSH-ER en

tubería de revestimiento de 20" y 13 3/8" para pozos a perforar en el CSSFD. (Tesis

de licenciatura). Escuela Politécnica Nacional, Quito. Recuperado de

http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/7172.

Bassante, A. (2013). Evaluación y optimización de tuberías de revestimiento para pozos a

perforar en los campos Shushufindi y Oso. (Tesis de licenciatura). Escuela Politécnica

Nacional, Quito. Recuperado de

https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/6054/1/CD-4782.pdf.

Bell, M. R., Davies, J. B. and Simonian, S. (2006). Optimized Perforation - From Black Art

to Engineering Software Tool. Paper presented at the SPE Asia Pacific Oil & Gas

Conference and Exhibition. Adelaide, September 2006. Retrieved from

https://doi.org/10.2118/101082-MS.

Castillo, C. I. y Chiriví, J. A. (2008). Modelamiento termodinámico de los inhibidores de

hidratos de gas (metanol) como formadores de depositaciones inorgánicas en sistemas

de hidrocarburos. Ingeniería y Región, 5, 99-106. Recuperado de

https://doi.org/10.25054/22161325.829.

Chinedu E. and Onensi V. (2016). Oil and Gas Reserve Estimation Using Visual Basic 11.

Academic Research International, 7(5), 10-18. Retrieved from

http://www.savap.org.pk/journals/ARInt./Vol.7(5)/2016(7.5-02).pdf.

Fernández, L. A. y Aguirre, K. A. (2009). Diseño de revestidores y cementadores de pozos

en el oriente ecuatoriano. (Tesis de licenciatura). Escuela Superior Politécnica del

Litoral, Guayaquil. Recuperado de

http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/14772.


Gandara, S. E. (1990). Diseño de tubería de revestimiento. (Tesis de licenciatura). Escuela

Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil. Recuperado de

https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/7920/1/D-10045.pdf.

García, H. (2017). Potencial de las hojas de cálculo electrónicas y su aplicación a la

ingeniería petrolera. (Tesis licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de

México, Ciudad de México. Recuperado de

https://repositorio.unam.mx/contenidos/320442.

García, I. and García, J. (2008). A Methodology Based on Effective Practices to Develop

Educational Software. Computación y Sistemas, 11(4), 313-332. Retrieved from

https://www.redalyc.org/pdf/615/61511402.pdf.

Goins, W. C., Collins, B. J. and O´Brien, T. B. (1965). A new approach to tubular string

design. World Oil, 161(6,7), 83-88.

Greenip, J. F. (1978). Optimum casing program design stresses economy. Oil and Gas

Journal, 76(42), 76-86.

Gros, B. (2000). Del software educativo a educar con software. Quaderns Digital, (24).

Recuperado de

http://www.quadernsdigitals.net/index.php?accionMenu=hemeroteca.VisualizaNum

eroRevistaIU.visualiza&numeroRevista_id=17.

Halal, A. S., Warling, D. J. and Wagner, R. R. (1996). Minimum Cost Casing Design. Paper

presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Denver, October

1996. Retrieved from https://doi.org/10.2118/36448-MS.

Jenkins, P. B. y Crockford A. L. (1975). Drilling Costs. Paper presented at the SPE European

Spring Meeting. London, April 1975. Retrieved from https://doi.org/10.2118/5266-

MS.

Klementich, E. F. and Jellison M. J. (1986). A Service-Life Model for Casing Strings. SPE

Drilling Engineering, 1(2). Retrieved from https://doi.org/10.2118/12361-PA.

Lin, T., Zhang, Q., Lian, Z., Chang, X., Zhu, K. and Liu, Y. (2016). Evaluation of casing

integrity defects considering wear and corrosion - Application to casing design.

Journal of Natural Gas Science and Engineering, 29, 440-452. Retrieved from

https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.01.029.

Martínez, M. J., Suárez, S. y González, M. (2017). Desarrollo de un método analítico para el

diseño de revestidores en el proceso de construcción de pozos petroleros. Ponencia

presentada en el Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería. Valencia, del 3 al 5


de julio de 2017).

http://congress.cimne.com/cmn2017/admin/files/fileabstract/a428.pdf

Mayorga, M. A. (1990). Optimización de revestimiento de pozos. (Tesis de licenciatura).

Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil. Recuperado de

http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6242.

Molero. J. (2012). Diseño de revestidores. México.

Mondavi, D. E. (2014). Implementación de algoritmos genéticos para la optimización de

parámetros de yacimiento mediante curvas de producción de pozos seleccionados en

un campo del oriente ecuatoriano. (Tesis de licenciatura). Escuela Superior

Politécnica del Litoral, Guayaquil. Recuperado de

https://www.dspace.espol.edu.ec/retrieve/89765/D-70114.pdf.

Morán, W., Lituma, L., Vargas, X. y Tapia, D. (2009). Diseño de revestimiento y

cementación de pozos en el oriente ecuatoriano. Recuperado de

https://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/8020.

Moreira, N. M., Carrasquila, A. A., Figueiredo, A. and da Fonseca, C.E. (2015). Worn pipes

collapse strength: experimental and numerical study. Journal of Petroleum Science

and Engineering, 133, 328-334. Retrieved from

https://doi.org/10.1016/j.petrol.2015.06.024.

Olanrewaju, A. O. (2018). Relevant Information on Oil and Gas Casing Design. Petroleum

& Petrochemical Engineering Journal, 2(8), 1-5.

Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura [Unesco].

(2011). Marco de competencias de los docentes en materia de TIC elaborado por la

Unesco. París, Francia: Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la

Ciencia y la Cultura.

Padrón, C. L. (2009). Desarrollo de materiales didácticos desde una perspectiva basada en

modelos. (Tesis de doctorado). Universidad Carlos III de Madrid, Leganés.

Recuperado de http://hdl.handle.net/10016/5679.

Peñafiel, A. P., Sánchez, S. M., Vargas, X. y Tapia, F. D. (2009). Diseño de tubería

revestimiento y cementación de un pozo en el oriente ecuatoriano. Recuperado de

https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/8020/1/Dise%C3%B1o%20

de%20Revestimiento%20y%20Cementaci%C3%B3n%20de%20pozos%20en%20el

%20Oriente%20Ecuatoriano.pdf.


Pérez, M. A. (2013). Apuntes y ejercicios de ingeniería de perforación. (Tesis de

licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad de México.

Recuperado de http://132.248.52.100:8080/xmlui/handle/132.248.52.100/7519.

Prentice, C. M. (1970). “Maximum Load” Casing Design. Journal of Petroleum Technology,

22(7), 805-811. Retrieved from https://doi.org/10.2118/2560-PA.

Rahman S.S. y Chilingarian, G. V. (1995). Casing design theory and practice. Elsevier

Science.

Recalde, R. E. (2018). Diseño del programa de tuberías de revestimiento para la perforación

del pozo Sacha 452d direccional en el oriente ecuatoriano. (Tesis de licenciatura).

Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito. Recuperado de

http://repositorio.ute.edu.ec/bitstream/123456789/18489/1/70685_1.pdf.

Salas, V. L., Rosado, J. A., Vargas, X. y Tapia, D. (2009). Diseño de revestidores y

cementación del pozo X5-D del oriente ecuatoriano. Recuperado de

https://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/8152.

Sepúlveda, J. A., Vargas, M. J. y Rivas, J. D. (2014). Desarrollo de un programa de

computador para estimar la presión de fondo fluyendo por medio de mediciones del

nivel dinámico de un pozo con levantamiento artificial bajo flujo multifásico.

Ingeniería y Región, 12(2), 51-57. Recuperado de

https://doi.org/10.25054/22161325.730.

Shen, Z., Beck, F. E. and Ling, K. (2014). The Mechanism of Wellbore Weakening in Worn

Casing-Cement-Formation System. Journal of Petroleum Engineering. Retrieved

from https://doi.org/10.1155/2014/126167.

Tao, G. y Xie, J. (2013). Analytical Evaluation of Casing Connections for Thermal Well

Applications. Paper presented at the SPE Heavy Oil Conference-Canada. Calgary,

June 2013. Retrieved from https://doi.org/10.2118/165493-MS.

Tenaris Tamsa. (2013). Prontuario. Recuperado de http://www.tenaristamsa.com/wp-

content/uploads/2013/03/Prontuario.pdf.

Torres, D. E. y Anders, J. L. (1995). Using MS Visual Basic to Write Engineering

Applications. Paper presented at the Petroleum Computer Conference. Houston, June

1995. Retrieved from https://doi.org/10.2118/30215-MS.

Utsalo, O., Olamigoke, O. and Adekuajo, C. O. (2014). An Excel Casing Design Application.

Paper presented at the SPE Nigeria Annual International Conference and Exhibition.

Lagos, August 2014. Retrieved from https://doi.org/10.2118/172466-MS.


Wang, T., Yan, X., Wang, J., Yang, X., Jiang, T. and Huang, H. (2013). Investigation of the

ultimate residual strengthen of a worn casing by using the arc-length algorithm.

Engineering Failure Analysis, 28. 1-15. Retrieved from

https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2012.09.008.

Wojtanowicz, A. K. and Maidia, E. E. (1987). Minimum Cost Casing for Vertical and

Directional Wells. Journal of Petroleum Technology, 39(10), 1269-1282. Retrieved

from https://doi.org/10.2118/14499-PA.

Zambrano, E. D. (2016). Evaluación del uso de la tecnología dopeless en la perforación y

revestimiento de pozos direccionales en el campo oso del oriente ecuatoriano. (Tesis

de licenciatura). Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito. Recuperado de

http://repositorio.ute.edu.ec/handle/123456789/16812.


Rol de Contribución Autor (es)

Conceptualización Marcos Andrés Jiménez Moreno

Metodología Marcos Andrés Jiménez Moreno

Software Marcos Andrés Jiménez Moreno

Validación José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen

Jiménez Hernandez (igual), Marcos Andrés Jiménez Moreno

(igual)

Análisis Formal José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen


(igual)

Investigación José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen


(igual)

Recursos José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen


(igual)

Curación de datos Marcos Andrés Jiménez Moreno

Escritura - Preparación del

borrador original

José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen


(igual)

Escritura - Revisión y

edición

José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen


(igual)

Visualización José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen


(igual)

Supervisión Marcos Andrés Jiménez Moreno

Administración de Proyectos Marcos Andrés Jiménez Moreno

Adquisición de fondos José Roberto Hernandez Barajas (igual) , José del Carmen


(igual)

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